Растения защищаются от травоядных животных с помощью большого арсенала химических веществ, так называемых вторичных метаболитов. В свою очередь, многие насекомые не адаптировались к защите растений и могут без проблем питаться своими растениями-хозяевами. За удивительным разнообразием видов стоит «гонка вооружений» между растениями и насекомыми; вариации возникли в ходе совместной эволюции этих двух основных групп организмов.
Некоторые насекомые − листоеды или табачные рогатые черви, например − даже использовать растительные метаболиты для собственной защиты.
Франциска Беран, руководитель исследовательской группы «Секвестрация и детоксикация у насекомых» Института химической экологии Макса Планка в Йене, Германия, и ее коллеги изучают блох (Phyllotreta). Мелкие насекомые-вредители, название которых связано с их впечатляющей прыгучестью, предпочитают питаться молодыми листьями всех видов капусты, и их способ кормления вызывает характерные повреждения косточек. Их презирают садоводы и фермеры.
Прежде чем приступить к работе над своим докторским проектом в Берлинском университете Гумбольдта, молодой ученый прошла стажировку в AVRDC-Всемирном центре овощей на Тайване, где впервые узнала о разрушительном ущербе, который этот вид жуков наносит культурам капусты в Юго-Восточной Азии. Ее кандидатская диссертация была посвящена тому, как насекомые объединяются, и она спросила, используют ли они феромоны и запахи растений в качестве обонятельных сигналов.
Она выяснила, что самцы блох выделяют феромон, привлекающий сородичей; однако притяжение происходит только в сочетании с летучими веществами растений. В основе ее анализа лежали продукты распада глюкозинолатов, растительных метаболитов, ответственных за знакомый запах капусты.
В своем текущем проекте ученые сравнили глюкозинолаты в растениях-хозяевах с летучими продуктами разложения, которые образуются, когда жуки питаются растениями, повреждая ткани растений.
Механизм защиты растений − называется горчичной масляной бомбой, потому что образующиеся продукты разложения токсичны − состоит из двух компонентов: глюкозинолата и активирующего фермента мирозиназы. Обычно глюкозинолат-мирозиназная система представляет собой высокоэффективную защитную стратегию, которую растения капусты используют для отпугивания травоядных.
Однако он не отпугивает блох, которые легко заражают растения. Анализы показали, что при заражении растений блохами присутствовали летучие продукты разложения, но эти вещества не выделялись растениями. Оказалось, что сами блошки выделяют летучие метаболиты глюкозинолатов.
Дальнейшие эксперименты показали, что блошки могут поглощать и хранить количество глюкозинолатов, эквивалентное почти 2% от их собственного веса. Хотя растения капусты содержат большое количество различных глюкозинолатов, жуки секвестрируют только некоторые из них. Франциска Беран сделала неожиданный вывод: «Жуки выработали собственную активирующую мирозиназу, которая специфически гидролизует глюкозинолаты, которые они изолировали от растений."
Результаты исследования показывают, что блошиные жуки не только выживают без повреждений горчично-масляной бомбы капустных растений, насекомые даже используют избирательно секвестрированные глюкозинолаты для своих собственных целей.
Известно, что тля использует аналогичную стратегию. Однако, в отличие от тлей, которые всасывают флоэму, постукивая по отдельным растительным клеткам, блошки – жующие насекомые, которые ранят ткани листьев.
Такое ранение должно активировать бомбу с горчичным маслом, но не. Почему это так и почему блошиные жуки способны связывать неповрежденные глюкозинолаты, до сих пор остается загадкой.
Каким-то образом насекомым удается инактивировать мирозиназу растения. Исследователи хотят выяснить, где жуки хранят глюкозинолаты, как они контролируют свою собственную горчичную масляную бомбу и почему они могут гидролизовать глюкозинолаты, не будучи отравленными продуктами разложения. Особенно интересен вопрос: почему насекомые секвестрируют глюкозинолаты и как они контролируют гидролиз глюкозинолатов с помощью собственного фермента? «С одной стороны, глюкозинолаты или продукты их распада могут играть важную роль в общении жуков с представителями своего вида. С другой стороны, они могут выполнять определенную функцию в защите насекомых от их собственных врагов », – предполагает Франциска Беран.
Она также интересуется личинками жуков, которые живут под землей и питаются корнями. Они подвергаются воздействию многих хищников и болезнетворных микроорганизмов, и хорошая химическая защита определенно является преимуществом.
Поведенческие исследования теперь также будут использоваться для выяснения экологической функции секвестрации глюкозинолатов у блох.
Лучшее понимание адаптации насекомых к химической защите растений, вероятно, будет способствовать лучшему контролю над массовым появлением сельскохозяйственных вредителей, которые являются серьезной проблемой во всем мире.